新材料產業園供水工程線路比選及管道設計方案分析

柳琰熙

（榆林市水務集團榆橫供水公司,陜西 榆林 719000）

1 引言

引水管道作為引水工程的重要組成部分,對引水工程效率和安全影響較大。與引水工程的其他組成部分相比,管道工程線路長,所涉及的地質、周邊環境類型多樣。管道線路的選取對工程投資、實施難度以及運行使用影響重大,在工程實施前,結合區域實際情況,選取適宜的線路是非常必要的[1-2]。

2 工程概況

通過建設寺口子水庫至新材料產業園供水工程,解決新材料產業園工業用水緊缺問題,同時達到充分利用寺口子水庫水、減少地下水資源開采,提高水資源利用效率,為固原鹽化工循環經濟示范區建設及固原經濟社會快速發展提供供水保障。

在寺口子水庫導引工程實施前,寺口子水庫配置水量114 萬m3/a,南郊水廠配置水量492 萬m3/a,彭堡地下水配置水量142 萬m3/a,在寺口子水庫導引工程實施后,彭堡地下水只供示范區生活用水,彭堡地下水原供鹽化工生產用水的水量由寺口子水庫水替換。因此,寺口子水庫供新材料園水量為256 萬m3/a（114 萬m3/a+142 萬m3/a）,為解決新材料產業園工業用水緊缺問題,同時達到充分利用寺口子水庫水、減少地下水資源開采,提高水資源利用效率,確定本次供水規模256 萬m3/a。

3 輸水線路比選

3.1 選線原則

（1）輸水線路根據輸水形式、地形地質條件、地面建筑物分布情況,結合已建各引水工程以及用水戶的分布條件,通過綜合比較工程占地、環境影響、輸水安全、施工條件等進行多方案技術經濟比選確定,盡量避開自然保護區、文物、基本農田、民房等。

（2）輸水線路宜布置在沿線地質構造簡單,地層結構穩定、水文地質條件有利的地區,宜避免通過不良地質地段。

（3）輸水線路盡量減少與現有的天然河道、溝渠、等級公路、高速公路、鐵路、地下管道交叉,當不可避免時,力求垂直交叉。與等級公路、高速公路以及鐵路交叉,應利用已有橋洞穿越。與河道、溝道交叉需處理好與交叉河道、溝道的防洪等關系。

3.2 線路比選

3.2.1 方案一：加壓輸水線路方案

從羊圈堡壅水壩取水,經加壓泵站加壓,揚水管線自西向東沿中河河道灘地布設,于固擴十二干渠上游30 m 處折向南布設,揚水管線經黃鐸堡鎮南城村、黃灣村及曹堡村后沿固擴南城拐子支干渠西側布設,經三營鎮團結村、三岔村、三和村及頭營鎮馬莊村、楊莊村,末端至新材料產業園區,揚水管道全長23.9 km,加壓水泵凈揚程80.6 m,總揚程175 m。

3.2.2 方案二：加壓輸水+重力流輸水線路方案

從羊圈堡壅水壩取水,經加壓泵站加壓,揚水管線自西向東沿中河河道灘地布設,于固擴十二干渠上游30 m 處折向南布設,揚水管線經黃鐸堡鎮南城村、黃灣村,末端至黃灣村西川里200 m3高位蓄水池,高位蓄水池后接重力流引水管道,重力流引水管道沿固擴南城拐子支干渠西側布設,經黃鐸堡曹堡村、三營鎮團結村、三岔村、三和村及頭營鎮馬莊村、楊莊村, 末端至新材料產業園區, 輸水管線總長24.6 km,其中加壓管線7.8 km, 重力流管線16.8 km, 加壓水泵凈揚程102 m,總揚程210 m。

3.2.3 推薦方案

根據表1 可以看出,兩個方案相比,方案一線路較方案二短,且在后期運行維護、施工期間社會影響、工程地質條件、工程征占地、施工期間協調及工程投資等方面均優于方案二,綜合比較兩方案,本階段供水線路設計方案推薦方案一。

表1 供水線路方案比選表

4 管道方案分析

4.1 管材選取

根據管線流量、管徑、工作壓力等因素,主要比選了球墨鑄鐵管（DIP）、鋼絲網骨架PE 管,兩種管材特性見表2。工程輸水主管道管徑為DN400 mm,壓力等級1.0 MPa～2.5 MPa（加壓管線）,由于管線為壓力管線,從運行安全、管材價格、管道抗負壓性能、便于安裝等角度綜合考慮采用球墨鑄鐵管。

表2 管材比選

4.2 水力計算

設計從已建壅水壩右側新建分水閘后取水,通過引水渠引水至新建沉沙池,沉沙池設計水位1582.07 m,沉沙池最低水位為1580.57 m。

（2）管道水頭損失計算

管道水力計算主要是水頭損失計算,包括沿程損失和局部損失,即：h=hi+hj；管道沿程損失：hi=i×L。

對于球磨鑄鐵管、鋼管：i=10.294 n2Q2/d5.333

式中：Q 為管段流量,m3/s；i 為單位管長水頭損失,m/m；L為計算管段長度,m；v 為管內流速,m/s；d 為管道內徑,m；n 為管道糙率。

局部水頭損失hj按沿程損失的10%估算,即：hj=10%×hi。

管道水頭損失：h=hi+hj=1.1 hi=1.1 i×L

（3）管道設計內水壓力

根據《城鎮供水長距離輸水管（渠）道工程技術規程》（CECS 193-2005）,輸水管道的設計內水壓力不應小于工作壓力與殘余水擊壓力之和,并不應小于靜水壓力。對于輸水管道靜水壓力可以通過合理的控制避免產生,本次以1.5 倍的動壓確定管道設計內水壓力。

（5）管道水力計算管道節點水力計算成果見圖1。

圖1 管道內水壓力

4.3 管道鋪設

管道過溝及過路段采用定向鉆穿越外,其余管段均采取埋置的方式。

（1）管溝斷面管溝采用機械開挖,梯形斷面,斷面尺寸主要根據管材外形尺寸、工程地質和水文地質條件、防凍要求以及管道安裝施工要求等因素擬定。管溝開挖邊坡主要根據巖（土）體穩定條件進行確定,其中：土方開挖邊坡取1∶0.5,角礫1∶0.75,管溝頂面以上斷面的永久開挖邊坡土層采用1∶1,角礫1∶1.5,開挖深度大于5.0 m 時,自管溝頂面以上每5.0 m設水平寬度1.5 m 的馬道。對于D ≤400 mm 管道,管溝底寬按照D+0.3+0.3 m 控制,D 為管道外徑。

（2）管道埋深及頂部結構

工程區屬寒冷地區,根據工程地質可知最大凍土深度為1.21 m,根據以上凍土厚度可知,管頂覆土厚度不得小于1.3 m,管溝填埋后,管頂高出現狀地面0.2 m。

（3）管道基礎處理

管道基礎位于壤土、砂壤土（Q41al）段及黃土段,具有濕陷性,該場地的為Ⅲ級（嚴重）～Ⅳ級（很嚴重）自重濕陷場地。次管道基礎采取0.3 m 厚的壤土素土翻夯+0.3 m 厚灰土墊層進行處理,翻夯壓實度不小于0.95。對于角礫地基,管床底鋪設20 cm 厚細沙墊層。

5 結論

新材料產業園供水工程建設旨在為產業園提供水源,促進產業園建設發展。結合工程用水需求以及周邊環境情況,經方案比選采用加壓輸水線路方案、球墨鑄鐵鐵管管材,具有投資低、維護簡便、抗壓性能好等優勢。經過水力分析計算,球墨鑄鐵鐵管抗壓能力滿足要求。在工程實施階段,需要根據要求進行溝槽開挖及地基處理,以減少寒冷地區濕陷性土對工程結構安全的影響。